(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-10-03
(45)【発行日】2023-10-12
(54)【発明の名称】トルクセンサ
(51)【国際特許分類】
G01L 3/14 20060101AFI20231004BHJP
【ＦＩ】
G01L3/14 L
【請求項の数】
1
(21)【出願番号】P 2022508303
(86)(22)【出願日】2021-03-12
(86)【国際出願番号】 JP2021009960
(87)【国際公開番号】W WO2021187342
(87)【国際公開日】2021-09-23
【審査請求日】2022-09-14
(31)【優先権主張番号】P 2020049389
(32)【優先日】2020-03-19
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】508319990
【氏名又は名称】株式会社グローセル
(74)【代理人】
【識別番号】110002066
【氏名又は名称】弁理士法人筒井国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】岡田 亮二
【審査官】公文代 康祐
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１７－２０３６４５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００６－２２０５７４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－０７０６７３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２０－０１２６５７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１９－１８４４６６（ＪＰ，Ａ）
【文献】独国特許出願公開第０４２０８５２２（ＤＥ，Ａ１）
【文献】特開２０１９－０６６３７３（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｌ ３／１０
Ｇ０１Ｌ ３／１４
Ｇ０１Ｌ ５／１６－５／１７３
Ｂ２５Ｊ １７／００
Ｂ２５Ｊ １９／０２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
内輪部と、外輪部と、
前記内輪部と前記外輪部とを接続する複数の接続部と、
歪を抵抗値の変化として捉える複数の歪センサと、
を備える、トルクセンサであって、
前記複数の接続部は、
前記内輪部の内輪中心を通る第１仮想線上にそれぞれ配置され、かつ、前記内輪中心に対して互いに反対側に配置された第１接続部および第３接続部と、
前記内輪部の前記内輪中心を通る第２仮想線であって前記第１仮想線と直交する前記第２仮想線上にそれぞれ配置され、かつ、前記内輪中心に対して互いに反対側に配置された第２接続部および第４接続部と、
を有し、
前記複数の歪センサは、
前記第１接続部上に配置された第１歪センサと、
前記第２接続部上に配置された第２歪センサと、
前記第３接続部上に配置された第３歪センサと、
前記第４接続部上に配置された第４歪センサと、
を有し、
前記複数の歪センサのそれぞれは、
平面視において第３仮想線と重なる半導体基板と、
前記半導体基板に形成された複数の抵抗素子と、
を有し、
前記複数の抵抗素子は、
第１抵抗素子と、
第２抵抗素子と、
を含み、
前記第１抵抗素子と前記第２抵抗素子とのなす第１角度は、直角であり、
前記第３仮想線は、前記第１角度を二等分する方向に延在し、
前記複数の歪センサのうちの前記第１歪センサは、前記第３仮想線が前記第１仮想線と一致するように前記第１接続部上に配置され、
前記複数の歪センサのうちの前記第２歪センサは、前記第３仮想線が前記第２仮想線と一致するように前記第２接続部上に配置され、
前記複数の歪センサのうちの前記第３歪センサは、前記第３仮想線が前記第１仮想線と一致し、かつ、前記内輪中心に対して前記第３歪センサの前記第１抵抗素子が前記第１歪センサの前記第１抵抗素子と点対称になり、かつ、前記内輪中心に対して前記第３歪センサの前記第２抵抗素子が前記第１歪センサの前記第２抵抗素子と点対称となるように前記第３接続部上に配置され、
前記複数の歪センサのうちの前記第４歪センサは、前記第３仮想線が前記第２仮想線と一致し、かつ、前記内輪中心に対して前記第４歪センサの前記第１抵抗素子が前記第２歪センサの前記第１抵抗素子と点対称になり、かつ、前記内輪中心に対して前記第４歪センサの前記第２抵抗素子が前記第２歪センサの前記第２抵抗素子と点対称となるように前記第４接続部上に配置され、
前記複数の抵抗素子は、
第３抵抗素子と、
第４抵抗素子と、
を含み、
前記第３抵抗素子と前記第４抵抗素子とのなす第２角度は、直角であり、
前記第３仮想線は、前記第２角度を二等分する方向に延在し、
前記トルクセンサは、前記複数の歪センサからの出力に基づいて、前記半導体基板の主面に対する法線軸回りのトルクを算出する算出部を有し、
前記算出部は、
前記第１歪センサにおける前記第１抵抗素子の抵抗値と前記第２抵抗素子の抵抗値との差分と前記第１歪センサにおける前記第３抵抗素子の抵抗値と前記第４抵抗素子の抵抗値との差分とを加算した第１合計と、
前記第２歪センサにおける前記第１抵抗素子の抵抗値と前記第２抵抗素子の抵抗値との差分と前記第２歪センサにおける前記第３抵抗素子の抵抗値と前記第４抵抗素子の抵抗値との差分とを加算した第２合計と、
前記第３歪センサにおける前記第１抵抗素子の抵抗値と前記第２抵抗素子の抵抗値との差分と前記第３歪センサにおける前記第３抵抗素子の抵抗値と前記第４抵抗素子の抵抗値との差分とを加算した第３合計と、
前記第４歪センサにおける前記第１抵抗素子の抵抗値と前記第２抵抗素子の抵抗値との差分と前記第４歪センサにおける前記第３抵抗素子の抵抗値と前記第４抵抗素子の抵抗値との差分とを加算した第４合計と、
を加算した合計出力に基づいて、前記内輪部に垂直な法線軸回りのトルクを算出する、トルクセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、トルクセンサおよびロボット関節構造に関し、例えば、ロボット関節構造の構成部品となるトルクセンサに適用して有効な技術に関する。
【背景技術】
【0002】
特開２０１７－８０８４１号公報（特許文献１）には、ロボットアームの関節で他軸干渉により生じたセンサの検出誤差を補正する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０１７－８０８４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
近年の労働人口の減少を受けて、様々な分野で多関節ロボットを活用することが見込まれている。ところが、多関節ロボットを人間の労働力に置き換えるためには、克服すべき様々な課題が存在するのが現状である。
【0005】
例えば、人間の傍で人間と共同作業させるための多関節ロボット、すなわち、協働ロボットと呼ばれるロボットを活用しようとする場合、人間と多関節ロボットとの接触を高感度に検知する必要がある。なぜなら、多関節ロボットが誤って人間と接触することによって人間を傷つけることを防止するために、人間とのわずかな接触反力を検知して、多関節ロボットの動作を急停止させる必要があるからである。
【0006】
したがって、人間と共同作業させるための多関節ロボットには、人間とのわずかな接触反力を検知するために、特に、ロボットアームに作用する力（トルクも含む）のうち駆動軸回りに作用するトルクを検出するトルクセンサが搭載されている。
【0007】
このトルクセンサには、人間とのわずかな接触反力を検知するために、駆動軸回りに作用するトルクを高感度に検出することが要求されるが、現状の技術では、駆動軸以外の他軸回りのトルクや各軸方向に加わる力に起因する雑音を充分に低減することが困難である結果、駆動軸回りに作用するトルクを高感度に検出するトルクセンサが望まれている。つまり、駆動軸回りに作用するトルクを検出するトルクセンサにおいて、駆動軸以外の他軸回りのトルクや各軸方向に加わる力に起因する雑音を小さくする工夫が望まれている。
【0008】
本発明の目的は、駆動軸回りに作用するトルクを高感度に検出することができるトルクセンサを提供することにある。
【0009】
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【0010】
一実施の形態におけるトルクセンサは、内輪部と、外輪部と、内輪部と外輪部とを接続する複数の接続部と、歪を抵抗値の変化として捉える複数の歪センサとを備える。
【0011】
ここで、複数の接続部は、内輪部の内輪中心を通る第１仮想線上にそれぞれ配置され、かつ、内輪中心に対して互いに反対側に配置された第１接続部および第３接続部と、内輪部の内輪中心を通る第２仮想線であって第１仮想線と直交する第２仮想線上にそれぞれ配置され、かつ、内輪中心に対して互いに反対側に配置された第２接続部および第４接続部とを有する。
【0012】
そして、複数の歪センサは、第１接続部上に配置された第１歪センサと、第２接続部上に配置された第２歪センサと、第３接続部上に配置された第３歪センサと、第４接続部上に配置された第４歪センサとを有する。
【0013】
このとき、複数の歪センサのそれぞれは、平面視において第３仮想線と重なる半導体基板と、半導体基板に形成された複数の抵抗素子とを有し、複数の抵抗素子は、第１抵抗素子と、第２抵抗素子とを含む。第１抵抗素子と第２抵抗素子とのなす第１角度は、直角であり、第３仮想線は、第１角度を二等分する方向に延在する。
【0014】
ここで、複数の歪センサのうちの第１歪センサは、第３仮想線が第１仮想線と一致するように第１接続部上に配置され、複数の歪センサのうちの第２歪センサは、第３仮想線が第２仮想線と一致するように第２接続部上に配置されている。
【0015】
一方、複数の歪センサのうちの第３歪センサは、第３仮想線が第１仮想線と一致し、かつ、内輪中心に対して第３歪センサの第１抵抗素子が第１歪センサの第１抵抗素子と点対称になり、かつ、内輪中心に対して第３歪センサの第２抵抗素子が第１歪センサの第２抵抗素子と点対称となるように第３接続部上に配置され、複数の歪センサのうちの第４歪センサは、第３仮想線が第２仮想線と一致し、かつ、内輪中心に対して第４歪センサの第１抵抗素子が第２歪センサの第１抵抗素子と点対称になり、かつ、内輪中心に対して第４歪センサの第２抵抗素子が第２歪センサの第２抵抗素子と点対称となるように第４接続部上に配置されている。
【0016】
また、変形例におけるトルクセンサは、内輪部と、外輪部と、内輪部と外輪部とを接続する複数の接続部と、歪を抵抗値の変化として捉える複数の歪センサとを備える。
【0017】
ここで、複数の接続部は、内輪部の内輪中心を通る第１仮想線上にそれぞれ配置され、かつ、内輪中心に対して互いに反対側に配置された第１接続部および第４接続部と、内輪部の内輪中心を通る第２Ａ仮想線であって第１仮想線と内輪中心で交差する第２Ａ仮想線上にそれぞれ配置され、かつ、内輪中心に対して互いに反対側に配置された第２接続部および第５接続部と、内輪部の内輪中心を通る第２Ｂ仮想線であって第１仮想線と内輪中心で交差する第２Ｂ仮想線上にそれぞれ配置され、かつ、内輪中心に対して互いに反対側に配置された第３接続部および第６接続部を有する。
【0018】
そして、複数の歪センサは、第１接続部上に配置された第１歪センサと、第２接続部上に配置された第２歪センサと、第３接続部上に配置された第３歪センサと、第４接続部上に配置された第４歪センサと、第５接続部上に配置された第５歪センサと、第６接続部上に配置された第６歪センサを有する。
【0019】
このとき、複数の歪センサのそれぞれは、平面視において第３仮想線と重なる半導体基板と、半導体基板に形成された複数の抵抗素子とを有し、複数の抵抗素子は、第１抵抗素子と、第２抵抗素子とを含む。第１抵抗素子と第２抵抗素子とのなす第１角度は、直角であり、第３仮想線は、第１角度を二等分する方向に延在する。
【0020】
ここで、複数の歪センサのうちの第１歪センサは、第３仮想線が第１仮想線と一致するように第１接続部上に配置され、複数の歪センサのうちの第２歪センサは、第３仮想線が第２Ａ仮想線と一致するように第２接続部上に配置され、複数の歪センサのうちの第３歪センサは、第３仮想線が第２Ｂ仮想線と一致するように第２接続部上に配置されている。
【0021】
一方、複数の歪センサのうちの第４歪センサは、第３仮想線が第１仮想線と一致し、かつ、内輪中心に対して第４歪センサの第１抵抗素子が第１歪センサの第１抵抗素子と点対称になり、かつ、内輪中心に対して第４歪センサの第２抵抗素子が第１歪センサの第２抵抗素子と点対称となるように第４接続部上に配置され、複数の歪センサのうちの第５歪センサは、第３仮想線が第２Ａ仮想線と一致し、かつ、内輪中心に対して第５歪センサの第１抵抗素子が第２歪センサの第１抵抗素子と点対称になり、かつ、内輪中心に対して第５歪センサの第２抵抗素子が第２歪センサの第２抵抗素子と点対称となるように第５接続部上に配置され、複数の歪センサのうちの第６歪センサは、第３仮想線が第２Ｂ仮想線と一致し、かつ、内輪中心に対して第６歪センサの第１抵抗素子が第３歪センサの第１抵抗素子と点対称になり、かつ、内輪中心に対して第６歪センサの第２抵抗素子が第３歪センサの第２抵抗素子と点対称となるように第６接続部上に配置されている。
【発明の効果】
【0022】
一実施の形態におけるトルクセンサによれば、駆動軸回りに作用するトルクを高感度に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【0023】
【図1】ロボットシステムの一例を示す模式図である。
【図2】ロボット関節構造を模式的に示す図である。
【図3】関連技術におけるロボット関節構造を示す模式図である。
【図4】座標軸の設定例を示す模式図である。
【図5】実施の形態におけるトルクセンサの構成を示す平面図である。
【図7】実施の形態における基本思想をわかりやすく説明する表である。
【図8】実施の形態における歪センサを示す平面図である。
【図9】４個の歪センサの配置を示す平面図である。
【図10】トルクセンサにｙ軸回りのｙ軸トルクが加わった場合の４個の歪センサのそれぞれに形成されている抵抗素子に加わる歪を示す模式図である。
【図11】トルクセンサにｙ軸方向の力が加わった場合の４個の歪センサのそれぞれに形成されている抵抗素子に加わる歪を示す模式図である。
【図12】トルクセンサにｚ軸回りのｚ軸トルクが加わった場合の４個の歪センサのそれぞれに形成されている抵抗素子に加わる歪を示す模式図である。
【図13】算出部の機能ブロック図である。
【図14】算出部の動作を説明するフローチャートである。
【図15】ｙ軸回りのｙ軸トルクを加えた際における４個の歪センサのそれぞれからの出力を示すグラフである。
【図16】ｙ軸回りのｙ軸トルクを加えた際における４個の歪センサからの合計出力を示すグラフである。
【図17】ｚ軸回りにｚ軸トルクを加えた状態で、さらにｙ軸回りのｙ軸トルクを加えた際における４個の歪センサからの出力の平均値の変化を示すグラフである。
【図18】実施の形態におけるトルクセンサを適用したロボット関節構造を模式的に示す図である。
【図19】実施の形態におけるトルクセンサを適用したロボット関節構造の変形例を模式的に示す図である。
【図20】実施の形態におけるトルクセンサを適用したロボット関節構造の変形例を模式的に示す図である。
【図21】実施の形態におけるトルクセンサを適用したロボット関節構造を模式的に示す図である。
【図22】トルクセンサとリンクとの接続部位の拡大図である。
【図26】面圧と静止摩擦係数との関係を定性的に示すグラフである。
【図27】（ａ）は、トルクセンサにトルクや力が加わることにより、ボルトが変形する様子を示す図であり、（ｂ）は、「ボルト・外輪部面」に滑りが発生する様子を示す図である。
【図28】（ａ）および（ｂ）は、「ボルト・外輪部面」に滑りが発生すると、トルクセンサでの駆動軸回りのトルクの検出精度が不安定となるメカニズムを説明するための図である。
【図29】トルクセンサでのトルク検出精度の安定性を向上させるための工夫点を説明するための図である。
【図30】変形例におけるトルクセンサの構成を示す平面図である。
【図31】変形例への基本思想の適用例を説明する表である。
【発明を実施するための形態】
【0024】
実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、図面をわかりやすくするために平面図であってもハッチングを付す場合がある。
【0025】
＜ロボットシステム＞
図１は、ロボットシステムの一例を示す模式図である。
図１は、ロボットシステムの一例を示す模式図である。
【0026】
図１に示すように、ロボットシステム１は、例えば、多関節ロボットアームとして構成されたロボットアーム１０と、ロボットアーム１０の動作を制御するロボット制御部１１とを備えている。ロボットアーム１０は、回転可能な複数の関節構造を有しており、これらの複数の関節構造は、ロボット制御部１１で制御されるように構成されている。そして、ロボットアーム１０の先端部には、例えば、電動ハンドなどから構成されるエンドエフェクタが接続されている。このように構成されているロボットシステム１においては、ロボット制御部１１によって、ロボットアーム１０の関節構造の動作とエンドエフェクタとの動作が制御される。これにより、ロボットアーム１０でワークを操作することができる。
【0027】
＜ロボット関節構造＞
次に、ロボットアーム１０に含まれるロボット関節構造について説明する。
次に、ロボットアーム１０に含まれるロボット関節構造について説明する。
【0028】
図２は、ロボット関節構造を模式的に示す図である。
【0029】
図２において、ロボット関節構造２０は、ロボットアーム１０のリンク２１Ａとロボットアーム１０のリンク２１Ｂとを連結する構造である。具体的に、リンク２１Ａの内部には、モータ２２が配置されており、モータ２２には、減速機２３が接続されている。このモータ２２と減速機２３とがロボット関節構造２０の駆動部２４を構成している。そして、減速機２３には、トルクセンサ３０が接続されており、このトルクセンサ３０には、リンク２１Ｂが接続されている。また、減速機２３とトルクセンサ３０との間には、潤滑部材２５が設けられている。このように構成されているロボット関節構造２０では、駆動部２４を構成するモータ２２を回転させることにより、駆動部２４を構成する減速機２３と接続されたトルクセンサ３０とリンク２１Ｂとが一体的に駆動軸回りを回転する。
【0030】
＜改善の検討＞
ここで、トルクセンサ３０は、駆動軸回りにリンク２１Ｂを回転させたときの駆動軸回りのトルクを検出する機能を有している。具体的に、トルクセンサ３０は、駆動軸回りにリンク２１Ｂを回転させたときに変形するように構成されており、この変形に基づく歪を電気抵抗値の変化（電圧の変化）によって検出し、検出した電気抵抗値の変化に基づいて駆動軸回りのトルクを算出するように構成されている。
ここで、トルクセンサ３０は、駆動軸回りにリンク２１Ｂを回転させたときの駆動軸回りのトルクを検出する機能を有している。具体的に、トルクセンサ３０は、駆動軸回りにリンク２１Ｂを回転させたときに変形するように構成されており、この変形に基づく歪を電気抵抗値の変化（電圧の変化）によって検出し、検出した電気抵抗値の変化に基づいて駆動軸回りのトルクを算出するように構成されている。
【0031】
しかしながら、トルクセンサ３０の変形は、駆動軸回りのトルクだけでなく、駆動軸以外の他軸回りのトルクや各軸方向に加わる力によっても生じる。このことは、トルクセンサ３０で検出した電気抵抗値の変化には、駆動軸回りのトルクに基づく歪に由来する変化だけでなく、駆動軸以外の他軸回りのトルクや各軸方向に加わる力に基づく歪に由来する変化も含まれていることを意味する。つまり、駆動軸以外の他軸回りのトルクや各軸方向に加わる力に基づく歪に由来する電気抵抗値の変化は、駆動軸回りのトルクを算出する際の雑音となる。したがって、トルクセンサ３０において、駆動軸回りのトルクを高感度に検出するためには、駆動軸以外の他軸回りのトルクや各軸方向に加わる力に起因する雑音を充分に低減する必要がある。すなわち、駆動軸回りに作用するトルクを高精度に検出するためのトルクセンサ３０には、駆動軸以外の他軸回りのトルクや各軸方向に加わる力に起因する雑音を小さくすることが望まれている。
【0032】
この点に関し、例えば、以下に示す関連技術がある。本明細書でいう「関連技術」は、新規に発明者が見出した課題を有する技術であって、公知である従来技術ではないが、新規な技術的思想の前提技術（未公知技術）を意図して記載された技術である。
【0033】
図３は、関連技術におけるロボット関節構造を示す模式図である。
【0034】
図３に示すように、関連技術におけるロボット関節構造２０Ａでは、駆動部２４を構成する減速機２３とトルクセンサ３０との間にベアリング部材２６が設けられている。このベアリング部材２６は、トルクセンサ３０とともに駆動軸回りに回転可能である一方、トルクセンサ３０を固定支持するように構成されている。すなわち、関連技術において、トルクセンサ３０は、ベアリング部材２６によって固定支持されていることによって、駆動軸回り以外に変形しにくくなるように構成されている。この結果、関連技術では、駆動軸以外の他軸回りのトルクや各軸方向に加わる力に起因するトルクセンサ３０の変形が起こりにくくなることになる。このことは、関連技術によれば、トルクセンサ３０で駆動軸回りのトルクを検出する際、駆動軸以外の他軸回りのトルクや各軸方向に加わる力に起因する雑音を低減することができることを意味する。すなわち、関連技術によれば、駆動軸回りのトルクを高精度に検出することができると考えられる。
【0035】
ただし、関連技術では、トルクセンサ３０を固定支持するベアリング部材２６を新たに設ける必要があることから、ロボット関節構造２０Ａの質量が大きくなる。つまり、ロボット関節構造２０Ａの質量は小さいことが望ましいが、関連技術では、ロボット関節構造２０Ａの質量が大きくなってしまい、ロボット関節構造２０Ａの動作が鈍くなるおそれがある。さらには、ベアリング部材２６を新たに設ける必要があるため、ロボット関節構造２０Ａの部品コストが上昇することになる。したがって、関連技術では、駆動軸回りのトルクを高精度に検出することができる一方で、ロボット関節構造２０Ａの動作機敏性の向上と部品コストの低減の観点から改善の余地が存在することがわかる。
【0036】
そこで、本実施の形態では、ベアリング部材２６を用いることなく、駆動軸回りのトルクを高精度に検出することができるトルクセンサ３０を実現するための工夫を施している。以下では、この工夫を施した本実施の形態における技術的思想について説明する。
【0037】
＜座標軸の設定＞
まず、座標軸の設定例について説明する。
まず、座標軸の設定例について説明する。
【0038】
図４は、座標軸の設定例を示す模式図である。図４に示すように、３次元座標として互いに直交するｘ軸とｙ軸とｚ軸とを設定する。そして、ｘ軸方向に働く力を「Ｆｘ」で表し、ｙ軸方向に働く力を「Ｆｙ」で表し、ｚ軸方向に働く力を「Ｆｚ」で表す。さらに、ｘ軸回りの回転に起因するｘ軸トルクを「Ｔｘ」で表し、ｙ軸回りの回転に起因するｙ軸トルクを「Ｔｙ」で表し、ｚ軸回りの回転に起因するｚ軸トルクを「Ｔｚ」で表す。
【0039】
ここで、本明細書では、駆動軸をｚ軸とする。したがって、駆動軸回りのトルクは、ｚ軸回りのｚ軸トルクであり、本実施の形態におけるトルクセンサ３０では、ｚ軸回りのｚ軸トルクを高精度に検出することが目的となる。
【0040】
一方、このように座標軸を設定すると、駆動軸以外の他軸回りのトルクは、ｘ軸トルク「Ｔｘ」やｙ軸トルク「Ｔｙ」であり、各軸方向に加わる力は、ｘ軸方向の力「Ｆｘ」やｙ軸方向の力「Ｆｙ」やｚ軸方向の力「Ｆｚ」である。
【0041】
＜トルクセンサの構成＞
続いて、本実施の形態におけるトルクセンサの模式的な構成について説明する。
続いて、本実施の形態におけるトルクセンサの模式的な構成について説明する。
【0042】
図５は、本実施の形態におけるトルクセンサの構成を示す平面図である。図５に示すように、トルクセンサ１００は、円形リングから構成される内輪部１１０と、内輪部１１０よりも径の大きな円形リングから構成される外輪部１２０と、内輪部１１０と外輪部１２０とを接続する複数のスポーク（接続部）１３０とを備えている。ここで、複数のスポーク１３０には、内輪部１１０の内輪中心ＣＰを通る第１仮想線ＶＬ１上にそれぞれ配置され、かつ、内輪中心ＣＰに対して互いに反対側に配置されたスポーク１３０Ａおよびスポーク１３０Ｃと、内輪部１１０の内輪中心ＣＰを通る第２仮想線ＶＬ２であって第１仮想線ＶＬ１と直交する第２仮想線ＶＬ２上にそれぞれ配置され、かつ、内輪中心ＣＰに対して互いに反対側に配置されたスポーク１３０Ｂおよびスポーク１３０Ｄとが含まれる。
【0043】
このように構成されているトルクセンサ１００には、歪を電気抵抗値の変化として捉える複数の歪センサ２００が搭載されている。具体的に、トルクセンサ１００には、４個の歪センサ２００が搭載されている。詳細に説明すると、４個の歪センサ２００には、スポーク１３０Ａ上に配置された第１歪センサ２００Ａと、スポーク１３０Ｂ上に配置された第２歪センサ２００Ｂと、スポーク１３０Ｃ上に配置された第３歪センサ２００Ｃと、スポーク１３０Ｄ上に配置された第４歪センサ２００Ｄとが含まれている。
【0044】
図６は、図５のＡ－Ａ線で切断した断面図である。図６に示すように、内輪部１１０と外輪部１２０とは、スポーク１３０Ｂとスポーク１３０Ｄで接続されており、スポーク１３０Ｂ上に第２歪センサ２００Ｂが配置され、かつ、スポーク１３０Ｄ上に第４歪センサ２００Ｄが配置されていることがわかる。
【0045】
以上のようにして、本実施の形態におけるトルクセンサ１００が構成されていることになる。このトルクセンサ１００は、各軸回りのトルクや各軸方向の力が加わると変形する。特に、トルクセンサ１００のスポーク１３０は、各軸回りのトルクや各軸方向の力が加わると変形し、スポーク１３０上に配置されている歪センサ２００には、スポーク１３０の変形によって歪が発生し、歪センサ２００は、発生した歪を抵抗素子の電気抵抗の変化として捉えるようになっている。
【0046】
＜実施の形態における基本思想＞
次に、本実施の形態における基本思想について説明する。
次に、本実施の形態における基本思想について説明する。
【0047】
本実施の形態における基本思想は、歪センサ２００に形成されている複数の抵抗素子の配置を工夫するとともに、第１歪センサ２００Ａと第２歪センサ２００Ｂと第３歪センサ２００Ｃと第４歪センサ２００Ｄからなる４個の歪センサ２００の配置を工夫することにより、駆動軸回りのトルクに起因する歪だけを抽出する一方、駆動軸以外の他軸回りのトルクに起因する歪や各軸方向に加わる力に起因する歪を相殺する思想である。
【0048】
すなわち、本実施の形態における基本思想は、駆動軸回りのトルクだけでなく、駆動軸以外の他軸回りのトルクや各軸方向の力が加わっている場合でも、駆動軸回りのトルクに起因する歪だけを抽出し、それ以外の歪を相殺するように、歪センサ２００に形成されている複数の抵抗素子の配置を工夫するとともに、４個の歪センサ２００の配置を工夫する思想である。例えば、以下に基本思想のコンセプトを説明する。
【0049】
図７は、本実施の形態における基本思想をわかりやすく説明する表である。
【0050】
図７において、第１歪センサ２００Ａでは、第１歪センサ２００Ａに形成される抵抗素子の配置を工夫するとともに第１歪センサ２００Ａの配置を工夫することにより、ｘ軸回りのｘ軸トルクに起因する歪は「ゼロ」、ｙ軸回りのｙ軸トルクに起因する歪は「εＴｙ」、ｚ軸回りのｚ軸トルクに起因する歪は「εＴｚ」、ｘ軸方向の力に起因する歪は「εＦｘ」、ｙ軸方向の力に起因する歪は「ゼロ」、ｚ軸方向の力に起因する歪は「ゼロ」となる。
【0051】
また、第２歪センサ２００Ｂでは、第２歪センサ２００Ｂに形成される抵抗素子の配置を工夫するとともに第２歪センサ２００Ｂの配置を工夫することにより、ｘ軸回りのｘ軸トルクに起因する歪は「εＴｘ」、ｙ軸回りのｙ軸トルクに起因する歪は「ゼロ」、ｚ軸回りのｚ軸トルクに起因する歪は「εＴｚ」、ｘ軸方向の力に起因する歪は「ゼロ」、ｙ軸方向の力に起因する歪は「εＦｙ」、ｚ軸方向の力に起因する歪は「ゼロ」となる。
【0052】
さらに、第３歪センサ２００Ｃでは、第３歪センサ２００Ｃに形成される抵抗素子の配置を工夫するとともに第３歪センサ２００Ｃの配置を工夫することにより、ｘ軸回りのｘ軸トルクに起因する歪は「ゼロ」、ｙ軸回りのｙ軸トルクに起因する歪は「－εＴｙ」、ｚ軸回りのｚ軸トルクに起因する歪は「εＴｚ」、ｘ軸方向の力に起因する歪は「－εＦｘ」、ｙ軸方向の力に起因する歪は「ゼロ」、ｚ軸方向の力に起因する歪は「ゼロ」となる。
【0053】
同様に、第４歪センサ２００Ｄでは、第４歪センサ２００Ｄに形成される抵抗素子の配置を工夫するとともに第４歪センサ２００Ｄの配置を工夫することにより、ｘ軸回りのｘ軸トルクに起因する歪は「－εＴｘ」、ｙ軸回りのｙ軸トルクに起因する歪は「ゼロ」、ｚ軸回りのｚ軸トルクに起因する歪は「εＴｚ」、ｘ軸方向の力に起因する歪は「ゼロ」、ｙ軸方向の力に起因する歪は「－εＦｙ」、ｚ軸方向の力に起因する歪は「ゼロ」となる。
【0054】
そして、本実施の形態における基本思想では、第１歪センサ２００Ａと第２歪センサ２００Ｂと第３歪センサ２００Ｃと第４歪センサ２００Ｄのそれぞれで発生した歪を加算する。すると、例えば、ｘ軸回りのｘ軸トルクに起因する合計歪は「ゼロ」、ｙ軸回りのｙ軸トルクに起因する合計歪は「ゼロ」、ｚ軸回りのｚ軸トルクに起因する合計歪は「４εＴｚ」、ｘ軸方向の力に起因する合計歪は「ゼロ」、ｙ軸方向の力に起因する合計歪は「ゼロ」、ｚ軸方向の力に起因する合計歪は「ゼロ」となる。
【0055】
つまり、図７に示すように、ｚ軸回りのｚ軸トルクに起因する合計歪以外の合計歪は「ゼロ」となる。このことは、本実施の形態における基本思想を採用すると、駆動軸回りのトルクに起因する歪だけを抽出する一方、駆動軸以外の他軸回りのトルクに起因する歪や各軸方向に加わる力に起因する歪を相殺することができることを意味している。したがって、本実施の形態における基本思想によれば、駆動軸回りのトルクだけでなく、駆動軸以外の他軸回りのトルクや各軸方向の力が加わっている場合でも、駆動軸回りのトルクに起因する歪だけを抽出し、それ以外の歪を相殺することができる結果、駆動軸回りのトルクを高精度に算出することができることがわかる。
【0056】
＜基本思想の具現化＞
そこで、以下では、本実施の形態における基本思想を具現化する工夫について説明する。具体的に、この工夫には、歪センサ２００に形成される複数の抵抗素子の配置に対する工夫と、４個の歪センサ２００（第１歪センサ２００Ａと第２歪センサ２００Ｂと第３歪センサ２００Ｃと第４歪センサ２００Ｄ）の配置に対する工夫が存在する。
そこで、以下では、本実施の形態における基本思想を具現化する工夫について説明する。具体的に、この工夫には、歪センサ２００に形成される複数の抵抗素子の配置に対する工夫と、４個の歪センサ２００（第１歪センサ２００Ａと第２歪センサ２００Ｂと第３歪センサ２００Ｃと第４歪センサ２００Ｄ）の配置に対する工夫が存在する。
【0057】
＜＜複数の抵抗素子の配置に対する工夫＞＞
図８は、本実施の形態における歪センサを示す平面図である。
図８は、本実施の形態における歪センサを示す平面図である。
【0058】
図８において、本実施の形態における歪センサ２００は、矩形形状の半導体基板２１０を有している。この半導体基板２１０は、例えば、シリコン（Ｓｉ）から形成されている。そして、半導体基板２１０には、複数の抵抗素子３００が形成されている。具体的に、半導体基板２１０には、抵抗素子３００Ａと抵抗素子３００Ｂと抵抗素子３００Ｃと抵抗素子３００Ｄからなる４個の抵抗素子３００が形成されている。これらの複数の抵抗素子３００のそれぞれは、例えば、半導体基板２１０に導電型不純物を導入することにより形成された拡散抵抗素子である。ここで、例えば、抵抗素子３００Ａと抵抗素子３００Ｄのなす第１角度は直角であり、半導体基板２１０と重なる第３仮想線ＶＬ３は、第１角度を二等分する方向に延在している。同様に、抵抗素子３００Ａと抵抗素子３００Ｂとのなす角度も直角であり、抵抗素子３００Ｂと抵抗素子３００Ｃとのなす角度も直角であり、抵抗素子３００Ｃと抵抗素子３００Ｄのなす角度も直角である。すなわち、４個の抵抗素子３００は、互いになす角度が直角となるように配置されていることになる。なお、本明細書でいう「直角」とは、意図的に直角にする思想が含まれている場合を意味しており、実際の値が９０度から誤差でずれている場合であっても、根底に直角にする思想が含まれていれば、本明細書でいう「直角」に含まれるものとする。数値の具体例を挙げれば、例えば、角度が８８度から９２度であれば、根底に直角にする思想が存在すると考えることができることから、本明細書でいう「直角」に含まれるということができる。
【0059】
また、抵抗素子は４個だけに限定されるものではない。例えば、第３仮想線ＶＬ３に対して、第１角度を二等分する方向に延在しており、且つ、構成する抵抗素子同士のなす角度が直角である抵抗素子の組が複数組あっても、これらの複数組の合成回路が、最終的に図８に示す形態と等価であればよい。
【0060】
＜＜４個の歪センサの配置に対する工夫＞＞
図９は、４個の歪センサ２００の配置を示す平面図である。
図９は、４個の歪センサ２００の配置を示す平面図である。
【0061】
図９に示すように、４個の歪センサ２００のうちの第１歪センサ２００Ａは、第３仮想線ＶＬ３（図８参照）が第１仮想線ＶＬ１と一致するように配置されている。一方、４個の歪センサ２００のうちの第２歪センサ２００Ｂは、第３仮想線ＶＬ３（図８参照）が第２仮想線ＶＬ２と一致するように配置されている。また、４個の歪センサ２００のうちの第３歪センサ２００Ｃは、第３仮想線ＶＬ３（図８参照）が第１仮想線ＶＬ１と一致し、かつ、内輪中心ＣＰに対して第３歪センサ２００Ｃの抵抗素子３００Ａが第１歪センサ２００Ａの抵抗素子３００Ａと点対称になり、かつ、内輪中心ＣＰに対して第３歪センサの抵抗素子３００Ｂが第１歪センサ２００Ａの抵抗素子３００Ｂと点対称となり、かつ、内輪中心ＣＰに対して第３歪センサ２００Ｃの抵抗素子３００Ｃが第１歪センサ２００Ａの抵抗素子３００Ｃと点対称になり、かつ、内輪中心ＣＰに対して第３歪センサの抵抗素子３００Ｄが第１歪センサ２００Ａの抵抗素子３００Ｄと点対称となるように配置されている。さらに、４個の歪センサ２００のうちの第４歪センサ２００Ｄは、第３仮想線ＶＬ３（図８参照）が第２仮想線ＶＬ２と一致し、かつ、内輪中心ＣＰに対して第４歪センサ２００Ｄの抵抗素子３００Ａが第２歪センサ２００Ｂの抵抗素子３００Ａと点対称になり、かつ、内輪中心ＣＰに対して第４歪センサ２００Ｄの抵抗素子３００Ｂが第２歪センサ２００Ｂの抵抗素子３００Ｂと点対称となり、かつ、内輪中心ＣＰに対して第４歪センサ２００Ｄの抵抗素子３００Ｃが第２歪センサ２００Ｂの抵抗素子３００Ｃと点対称になり、かつ、内輪中心ＣＰに対して第４歪センサ２００Ｄの抵抗素子３００Ｄが第２歪センサ２００Ｂの抵抗素子３００Ｄと点対称となるように配置されている。
【0062】
以下では、歪センサ２００に形成される４個の抵抗素子３００の配置に対する工夫および４個の歪センサ２００の配置に対する工夫によって、本実施の形態における基本思想が具現化される。具体的に、図８に示す４個の抵抗素子３００が形成された４個の歪センサ２００において、これらの４個の歪センサ２００を図９に示すように配置することにより、本実施の形態における基本思想（図７参照）が具現化されることについて説明する。
【0063】
＜＜歪を相殺する具体的説明＞＞
図１０は、トルクセンサ１００にｙ軸回りのｙ軸トルク（「Ｔｙ」）が加わった場合の４個の歪センサ２００のそれぞれに形成されている抵抗素子３００に加わる歪を示す模式図である。図１０において、引張歪を「＋」、圧縮歪を「－」とし、それぞれの歪センサ２００に形成されている４個の抵抗素子３００に加わる歪に基づく歪センサ２００からの出力歪を「（抵抗素子３００Ａの歪＋抵抗素子３００Ｃの歪）－（抵抗素子３００Ｂの歪＋抵抗素子３００Ｄの歪）」とする。
図１０は、トルクセンサ１００にｙ軸回りのｙ軸トルク（「Ｔｙ」）が加わった場合の４個の歪センサ２００のそれぞれに形成されている抵抗素子３００に加わる歪を示す模式図である。図１０において、引張歪を「＋」、圧縮歪を「－」とし、それぞれの歪センサ２００に形成されている４個の抵抗素子３００に加わる歪に基づく歪センサ２００からの出力歪を「（抵抗素子３００Ａの歪＋抵抗素子３００Ｃの歪）－（抵抗素子３００Ｂの歪＋抵抗素子３００Ｄの歪）」とする。
【0064】
図１０において、第１歪センサ２００Ａに着目すると、抵抗素子３００Ａと抵抗素子３００Ｃに引張歪が発生する一方、抵抗素子３００Ｂと抵抗素子３００Ｄに圧縮歪が発生する。この結果、第１歪センサ２００Ａから出力される出力歪を「＋εＴｙ」とする。
【0065】
続いて、第２歪センサ２００Ｂに着目すると、抵抗素子３００Ａと抵抗素子３００Ｂと抵抗素子３００Ｃと抵抗素子３００Ｄに同じ引張歪が発生する。この結果、第２歪センサ２００Ｂから出力される出力歪は「０」となる。
【0066】
次に、第３歪センサ２００Ｃに着目すると、抵抗素子３００Ａと抵抗素子３００Ｃに圧縮歪が発生する一方、抵抗素子３００Ｂと抵抗素子３００Ｄに引張歪が発生する。この結果、第３歪センサ２００Ｃから出力される出力歪は「－εＴｙ」となる。
【0067】
さらに、第４歪センサ２００Ｄに着目すると、抵抗素子３００Ａと抵抗素子３００Ｂと抵抗素子３００Ｃと抵抗素子３００Ｄに同じ引張歪が発生する。この結果、第４歪センサ２００Ｄから出力される出力歪は「０」となる。
【0068】
以上のことから、図１０に示す４個の歪センサ２００（第１歪センサ２００Ａと第２歪センサ２００Ｂと第３歪センサ２００Ｃと第４歪センサ２００Ｄ）によって、図７に示すｙ軸回りのｙ軸トルクに起因する歪が実現されていることがわかる。
【0069】
図１１は、トルクセンサ１００にｙ軸方向の力（「Ｆｙ」）が加わった場合の４個の歪センサ２００のそれぞれに形成されている抵抗素子３００に加わる歪を示す模式図である。図１１において、引張歪を「＋」、圧縮歪を「－」とし、それぞれの歪センサ２００に形成されている４個の抵抗素子３００に加わる歪に基づく歪センサ２００からの出力歪を「（抵抗素子３００Ａの歪＋抵抗素子３００Ｃの歪）－（抵抗素子３００Ｂの歪＋抵抗素子３００Ｄの歪）」とする。
【0070】
図１１において、第１歪センサ２００Ａに着目すると、抵抗素子３００Ａと抵抗素子３００Ｂと抵抗素子３００Ｃと抵抗素子３００Ｄに同じ引張歪が発生する。この結果、第１歪センサ２００Ａから出力される出力歪は「０」となる。
【0071】
続いて、第２歪センサ２００Ｂに着目すると、抵抗素子３００Ａと抵抗素子３００Ｃに圧縮歪が発生する一方、抵抗素子３００Ｂと抵抗素子３００Ｄに引張歪が発生する。この結果、第２歪センサ２００Ｂから出力される出力歪を「＋εＦｙ」とする。
【0072】
次に、第３歪センサ２００Ｃに着目すると、抵抗素子３００Ａと抵抗素子３００Ｂと抵抗素子３００Ｃと抵抗素子３００Ｄに同じ引張歪が発生する。この結果、第３歪センサ２００Ｃから出力される出力歪は「０」となる。
【0073】
さらに、第４歪センサ２００Ｄに着目すると、抵抗素子３００Ａと抵抗素子３００Ｃに引張歪が発生する一方、抵抗素子３００Ｂと抵抗素子３００Ｄに圧縮歪が発生する。この結果、第４歪センサ２００Ｄから出力される出力歪は「－εＦｙ」となる。
【0074】
以上のことから、図１１に示す４個の歪センサ２００（第１歪センサ２００Ａと第２歪センサ２００Ｂと第３歪センサ２００Ｃと第４歪センサ２００Ｄ）によって、図７に示すｙ軸方向に加わる力に起因する歪が実現されていることがわかる。
【0075】
図１２は、トルクセンサ１００にｚ軸回りのｚ軸トルク（「Ｔｚ」）が加わった場合の４個の歪センサ２００のそれぞれに形成されている抵抗素子３００に加わる歪を示す模式図である。図１２において、引張歪を「＋」、圧縮歪を「－」とし、それぞれの歪センサ２００に形成されている４個の抵抗素子３００に加わる歪に基づく歪センサ２００からの出力歪を「（抵抗素子３００Ａの歪＋抵抗素子３００Ｃの歪）－（抵抗素子３００Ｂの歪＋抵抗素子３００Ｄの歪）」とする。
【0076】
図１２において、第１歪センサ２００Ａに着目すると、抵抗素子３００Ａと抵抗素子３００Ｃに圧縮歪が発生する一方、抵抗素子３００Ｂと抵抗素子３００Ｄに引張歪が発生する。この結果、第１歪センサ２００Ａから出力される出力歪を「＋εＴｚ」とする。
【0077】
続いて、第２歪センサ２００Ｂに着目すると、抵抗素子３００Ａと抵抗素子３００Ｃに圧縮歪が発生する一方、抵抗素子３００Ｂと抵抗素子３００Ｄに引張歪が発生する。この結果、第１歪センサ２００Ａから出力される出力歪は「＋εＴｚ」となる。
【0078】
次に、第３歪センサ２００Ｃに着目すると、抵抗素子３００Ａと抵抗素子３００Ｃに圧縮歪が発生する一方、抵抗素子３００Ｂと抵抗素子３００Ｄに引張歪が発生する。この結果、第１歪センサ２００Ａから出力される出力歪は「＋εＴｚ」となる。
【0079】
さらに、第４歪センサ２００Ｄに着目すると、抵抗素子３００Ａと抵抗素子３００Ｃに圧縮歪が発生する一方、抵抗素子３００Ｂと抵抗素子３００Ｄに引張歪が発生する。この結果、第１歪センサ２００Ａから出力される出力歪は「＋εＴｚ」となる。
【0080】
以上のことから、図１２に示す４個の歪センサ２００（第１歪センサ２００Ａと第２歪センサ２００Ｂと第３歪センサ２００Ｃと第４歪センサ２００Ｄ）によって、図７に示すｚ軸回りのｚ軸トルクに起因する歪が実現されていることがわかる。
【0081】
図１０～図１２に基づくと、図８に示す４個の抵抗素子３００が形成された４個の歪センサ２００において、これらの４個の歪センサ２００を図９に示すように配置することにより、本実施の形態における基本思想（図７参照）が具現化されることがわかる。
【0082】
＜算出部の構成＞
トルクセンサ１００は、上述した４個の歪センサ２００からの出力に基づいて、内輪中心ＣＰを通り、かつ、内輪部１１０に垂直な法線軸回りのトルクを算出する算出部を有している。すなわち、トルクセンサ１００は、第１歪センサ２００Ａの出力と第２歪センサ２００Ｂの出力と第３歪センサ２００Ｃの出力と第４歪センサ２００Ｄの出力とに基づいて、駆動軸回り（ｚ軸回り）のｚ軸トルクを算出する。
トルクセンサ１００は、上述した４個の歪センサ２００からの出力に基づいて、内輪中心ＣＰを通り、かつ、内輪部１１０に垂直な法線軸回りのトルクを算出する算出部を有している。すなわち、トルクセンサ１００は、第１歪センサ２００Ａの出力と第２歪センサ２００Ｂの出力と第３歪センサ２００Ｃの出力と第４歪センサ２００Ｄの出力とに基づいて、駆動軸回り（ｚ軸回り）のｚ軸トルクを算出する。
【0083】
以下では、ｚ軸回りのｚ軸トルクを算出する算出部の構成を説明する。
【0084】
図１３は、算出部５００の機能ブロック図である。図１３において、算出部５００は、第１電圧値入力部５０１と、第２電圧値入力部５０２と、第３電圧値入力部５０３と、第４電圧値入力部５０４と、電圧値加算部５０５と、駆動軸トルク算出部５０６と、出力部５０７と、データ記憶部５０８とを有している。
【0085】
第１電圧値入力部５０１は、第１歪センサ２００Ａからの出力電圧を入力するように構成されている。具体的に、第１歪センサ２００Ａは、トルクや力に基づくトルクセンサ１００の変形に起因して歪むように構成されており、この歪を内部に設けられている４個の抵抗素子３００の抵抗値変化として捉え、抵抗値変化を電圧値に変換して出力するように構成されている。第１電圧値入力部５０１は、この第１歪センサ２００Ａからの出力電圧を入力することができるように構成されている。そして、第１歪センサ２００Ａからの出力電圧である第１電圧値は、データ記憶部５０８に記憶される。
【0086】
なお、例えば、第１電圧値入力部５０１に入力される第１電圧値は、第１歪センサ２００Ａにおける抵抗素子３００Ａの抵抗値と抵抗素子３００Ｂの抵抗値との差分と第１歪センサ２００Ａにおける抵抗素子３００Ｃの抵抗値と抵抗素子３００Ｄの抵抗値との差分とを加算した第１合計値に対応する。
【0087】
第２電圧値入力部５０２は、第２歪センサ２００Ｂからの出力電圧を入力するように構成されている。具体的に、第２歪センサ２００Ｂも、トルクや力に基づくトルクセンサ１００の変形に起因して歪むように構成されており、この歪を内部に設けられている４個の抵抗素子３００の抵抗値変化として捉え、抵抗値変化を電圧値に変換して出力するように構成されている。第２電圧値入力部５０２は、この第２歪センサ２００Ｂからの出力電圧を入力することができるように構成されている。そして、第２歪センサ２００Ｂからの出力電圧である第２電圧値は、データ記憶部５０８に記憶される。
【0088】
なお、例えば、第２電圧値入力部５０２に入力される第２電圧値は、第２歪センサ２００Ｂにおける抵抗素子３００Ａの抵抗値と抵抗素子３００Ｂの抵抗値との差分と第２歪センサ２００Ｂにおける抵抗素子３００Ｃの抵抗値と抵抗素子３００Ｄの抵抗値との差分とを加算した第２合計値に対応する。
【0089】
第３電圧値入力部５０３は、第３歪センサ２００Ｃからの出力電圧を入力するように構成されている。具体的に、第３歪センサ２００Ｃは、トルクや力に基づくトルクセンサ１００の変形に起因して歪むように構成されており、この歪を内部に設けられている４個の抵抗素子３００の抵抗値変化として捉え、抵抗値変化を電圧値に変換して出力するように構成されている。第３電圧値入力部５０３は、この第３歪センサ２００Ｃからの出力電圧を入力することができるように構成されている。そして、第３歪センサ２００Ｃからの出力電圧である第３電圧値は、データ記憶部５０８に記憶される。
【0090】
なお、例えば、第３電圧値入力部５０３に入力される第３電圧値は、第３歪センサ２００Ｃにおける抵抗素子３００Ａの抵抗値と抵抗素子３００Ｂの抵抗値との差分と第３歪センサ２００Ｃにおける抵抗素子３００Ｃの抵抗値と抵抗素子３００Ｄの抵抗値との差分とを加算した第３合計値に対応する。
【0091】
第４電圧値入力部５０４は、第４歪センサ２００Ｄからの出力電圧を入力するように構成されている。具体的に、第４歪センサ２００Ｄは、トルクや力に基づくトルクセンサ１００の変形に起因して歪むように構成されており、この歪を内部に設けられている４個の抵抗素子３００の抵抗値変化として捉え、抵抗値変化を電圧値に変換して出力するように構成されている。第４電圧値入力部５０４は、この第４歪センサ２００Ｄからの出力電圧を入力することができるように構成されている。そして、第４歪センサ２００Ｄからの出力電圧である第４電圧値は、データ記憶部５０８に記憶される。
【0092】
なお、例えば、第４電圧値入力部５０４に入力される第３電圧値は、第４歪センサ２００Ｄにおける抵抗素子３００Ａの抵抗値と抵抗素子３００Ｂの抵抗値との差分と第４歪センサ２００Ｄにおける抵抗素子３００Ｃの抵抗値と抵抗素子３００Ｄの抵抗値との差分とを加算した第４合計値に対応する。
【0093】
次に、電圧値加算部５０５は、第１電圧値入力部５０１に入力された第１電圧値と、第２電圧値入力部５０２に入力された第２電圧値と、第３電圧値入力部５０３に入力された第３電圧値と、第４電圧値入力部５０４に入力された第４電圧値とを加算した合計電圧値を算出するように構成されている。この電圧値加算部５０５による合計電圧値の算出は、例えば、図７に示す合計を算出することに対応する。つまり、電圧値加算部５０５によって算出された合計電圧値は、他軸回りのトルクや各軸方向に加わる力に起因する歪が相殺されて、駆動軸回りの駆動軸トルクにのみ起因する歪に対応する電圧値となる。
【0094】
続いて、駆動軸トルク算出部５０６は、電圧値加算部５０５で算出された合計電圧値に基づいて、駆動軸回りの駆動軸トルクを算出するように構成されている。このとき、本実施の形態では、電圧値加算部５０５によって算出された合計電圧値は、他軸回りのトルクや各軸方向に加わる力に起因する歪が相殺されて、駆動軸回りの駆動軸トルクにのみ起因する歪に対応する電圧値であることから、合計電圧値に基づいて算出された駆動軸トルクは高精度である。例えば、歪と電気抵抗値には相関関係があり、この電気抵抗値に基づく電圧値と歪も相関関係がある。そして、歪とトルクとも相関関係があることから、電圧値とトルクも相関関係があることになる。この電圧値とトルクとの間の相関関係を示す式やテーブルをデータ記憶部５０８に記憶されている。この結果、駆動軸トルク算出部５０６は、データ記憶部５０８に記憶されている式やテーブルに基づいて、電圧値加算部５０５で算出された合計電圧値から駆動軸トルクを算出することができる。
【0095】
出力部５０７は、駆動軸トルク算出部５０６で算出された駆動軸トルクの値を外部に出力するように構成されている。例えば、出力部５０７から出力された駆動軸トルクの値は、図１に示すロボット制御部１１に入力されて、ロボット制御部１１によるロボットアーム１０の動作制御に利用することができる。
【0096】
＜算出部の動作＞
本実施の形態における算出部５００は、上記のように構成されており、以下に算出部５００の動作について図面を参照しながら説明する。
本実施の形態における算出部５００は、上記のように構成されており、以下に算出部５００の動作について図面を参照しながら説明する。
【0097】
図１４は、算出部の動作を説明するフローチャートである。
【0098】
図１４において、第１電圧値入力部５０１は、第１歪センサ２００Ａからの出力電圧である第１電圧値を入力するとともに、第２電圧値入力部５０２は、第２歪センサ２００Ｂからの出力電圧である第２電圧値を入力する。同様に、第３電圧値入力部５０３は、第３歪センサ２００Ｃからの出力電圧である第３電圧値を入力するとともに、第４電圧値入力部５０４は、第４歪センサ２００Ｄからの出力電圧である第４電圧値を入力する（Ｓ１０１）。次に、電圧値加算部５０５は、第１電圧値と第２電圧値と第３電圧値と第４電圧値とを加算して合計電圧値を算出する。その後、駆動軸トルク算出部５０６は、電圧値加算部５０５で算出した合計電圧値に基づいて、駆動軸トルクを算出する。そして、駆動軸トルク算出部５０６で算出された駆動軸トルクの値は、出力部５０７から出力される。
【0099】
以上のようにして、算出部５００の動作が実現される。
【0100】
＜効果の検証＞
次に、本実施の形態における効果の検証結果について説明する。
次に、本実施の形態における効果の検証結果について説明する。
【0101】
図１５は、ｙ軸回りのｙ軸トルク（「Ｔｙ」）を加えた際における４個の歪センサのそれぞれからの出力を示すグラフである。
【0102】
図１５において、横軸はｙ軸トルク（「Ｔｙ（Ｎ・ｍ）」）の大きさを示している一方、縦軸は各歪センサの出力「歪量（με）」を示している。
【0103】
図１５において、第１歪センサの出力に着目すると、ｙ軸トルクを大きくするにしたがって第１歪センサからの出力（絶対値）が大きくなっていることがわかる。例えば、ｙ軸トルクが「１００Ｎ・ｍ」のとき、第１歪センサからの出力は「１５με」であり、ｙ軸トルクが「２００Ｎ・ｍ」のとき、第１歪センサからの出力は「３５με」である。また、ｙ軸トルクが「４００Ｎ・ｍ」のとき、第１歪センサからの出力は「６０με」であり、ｙ軸トルクが「６００Ｎ・ｍ」のとき、第１歪センサからの出力は「９０με」である。
【0104】
一方、第３歪センサの出力に着目すると、ｙ軸トルクを大きくするにしたがって第３歪センサからの出力（絶対値）も大きくなっていることがわかる。例えば、ｙ軸トルクが「１００Ｎ・ｍ」のとき、第１歪センサからの出力は「－１５με」であり、ｙ軸トルクが「２００Ｎ・ｍ」のとき、第１歪センサからの出力は「－３５με」である。また、ｙ軸トルクが「４００Ｎ・ｍ」のとき、第１歪センサからの出力は「－６０με」であり、ｙ軸トルクが「６００Ｎ・ｍ」のとき、第１歪センサからの出力は「－９０με」である。
【0105】
したがって、第１歪センサからの出力と第２歪センサからの出力を加算すると、第１歪センサの出力と第３歪センサからの出力の合計出力は「０」となることがわかる。つまり、第１歪センサからの出力と第３歪センサからの出力は相殺することがわかる。
【0106】
また、第２歪センサからの出力と第４歪センサからの出力に着目すると、ｙ軸トルクの大きさに依らず、いずれの歪センサからの出力もほぼ「０」であることがわかる。
【0107】
図１６は、ｙ軸回りのｙ軸トルク（「Ｔｙ」）を加えた際における４個の歪センサからの合計出力を示すグラフである。
【0108】
図１６において、横軸はｙ軸トルク（「Ｔｙ（Ｎ・ｍ）」）の大きさを示している一方、縦軸は４個の歪センサからの合計出力「歪量（με）」を示している。
【0109】
図１６に示すように、ｙ軸トルクの大きさに依らず、４個の歪センサからの合計出力がほぼ「０」であることがわかる。すなわち、図１６から、例えば、駆動軸回りの駆動軸トルク（ｚ軸トルク）以外の他軸回りのトルクの一例であるｙ軸回りのｙ軸トルクが加わっても、ｙ軸トルクに基づく第１歪センサからの出力と第２歪センサからの出力と第３歪センサからの出力と第４歪センサからの出力を加算すると、出力の合計がほぼ「０」になることがわかる。つまり、図１５および図１６に示す結果から、４個の歪センサからの合計出力がｙ軸トルクに起因する歪の影響を受けないことが裏付けられていることがわかる。
【0110】
図１７は、ｚ軸回りに一定量のz軸トルクを加えた状態で、さらにｙ軸回りのｙ軸トルクを加えた際における４個の歪センサからの出力の平均値の変化を示すグラフである。
【0111】
図１７において、横軸はｙ軸トルク（「Ｔｙ（Ｎ・ｍ）」）の大きさを示している一方、縦軸は４個の歪センサからの出力「歪量（με）」の平均値を示している。さらに、各ポイントは、ｚ軸トルク（「Ｔｚ」）の大きさを示す。たとえば「＊」はｚ軸トルクが時計回りであり、６００（Ｎ・ｍ）である。「点線」は、ｚ軸トルク（「Ｔｚ」）が反時計回りであり、－６００（Ｎ・ｍ）である。
【0112】
例えば、図７を参照すると、第１歪センサ２００Ａからの出力は、ｙ軸トルクに起因する歪量「εＴｙ」とｚ軸トルクに起因する歪量「εＴｚ」とを加えた歪量に対応する出力となる。一方、第２歪センサ２００Ｂからの出力は、ｙ軸トルクに起因する歪量「εＴｙ」とｚ軸トルクに起因する歪量「εＴｚ」とを加えた歪量に対応する出力となる。ただし、第２歪センサ２００Ｂでは、「εＴｙ」はゼロとなる。また、第３歪センサ２００Ｃからの出力は、ｙ軸トルクに起因する歪量「－εＴｙ」とｚ軸トルクに起因する歪量「εＴｚ」とを加えた歪量に対応する出力となる。さらに、第４歪センサ２００Ｄからの出力は、ｙ軸トルクに起因する歪量「－εＴｙ」とｚ軸トルクに起因する歪量「εＴｚ」とを加えた歪量に対応する出力となる。ただし、第２歪センサ２００Ｄでは、「－εＴｙ」はゼロとなる。したがって、４個の歪センサ２００のそれぞれの出力は異なることになるが、４個の歪センサ２００の出力の平均値は、ｚ軸トルクに起因する歪量以外は相殺される結果、歪量「εＴｚ」となる。このことが図１７に示されている。すなわち、４個の歪センサ２００の出力の平均値は歪量「εＴｚ」となることから、ｙ軸トルクの大きさに依らず、ｚ軸トルクの大きさにだけ依存し、一定値になる。図１７からｚ軸トルクの大きさを大きくすると、４個の歪センサ２００の出力の平均値は大きくなり、ｙ軸トルクが増加しても変化しないことがわかる。これは、４個の歪センサ２００の出力の平均値が歪量「εＴｚ」となることから理解できる。
【0113】
＜ロボット関節構造への適用＞
本実施の形態におけるトルクセンサ１００は、例えば、ロボットアームのロボット関節構造に適用することができる。例えば、図１８は、本実施の形態におけるトルクセンサ１００を適用したロボット関節構造２０を模式的に示す図である。図１８において、本実施の形態におけるトルクセンサ１００は、モータ２２と減速機２３とを含む駆動部２４と接続されているとともにロボットアームの一部を構成するリンク２１Ｂと接続されている。このように構成されているロボット関節構造２０によれば、トルクセンサ１００によって駆動軸回りの駆動軸トルクを高精度に検出することができる。
本実施の形態におけるトルクセンサ１００は、例えば、ロボットアームのロボット関節構造に適用することができる。例えば、図１８は、本実施の形態におけるトルクセンサ１００を適用したロボット関節構造２０を模式的に示す図である。図１８において、本実施の形態におけるトルクセンサ１００は、モータ２２と減速機２３とを含む駆動部２４と接続されているとともにロボットアームの一部を構成するリンク２１Ｂと接続されている。このように構成されているロボット関節構造２０によれば、トルクセンサ１００によって駆動軸回りの駆動軸トルクを高精度に検出することができる。
【0114】
さらに、トルクセンサ１００を適用したロボット関節構造２０によれば、以下に示す利点も得ることができる。例えば、図３に示す関連技術では、駆動部２４とトルクセンサ３０との間にベアリング部材２６を設けている。これは、トルクセンサ３０をベアリング部材２６によって固定支持することによって、駆動軸回り以外に変形しにくくなるようにするためである。すなわち、関連技術におけるトルクセンサ３０では、駆動軸回り以外の他軸回りのトルクや各軸方向に加わる力に起因してトルクセンサ３０が変形すると、この変形に起因する歪もトルクセンサ３０で検出する結果、トルクセンサ３０では、駆動軸以外の他軸回りのトルクや各軸方向に加わる力に起因する雑音の影響を受けやすくなる。このことから、関連技術では、トルクセンサ３０が駆動軸回り以外に変形しにくくなるようにベアリング部材２６でトルクセンサ３０を固定支持している。これにより、関連技術によれば、駆動軸以外の他軸回りのトルクや各軸方向に加わる力に起因するトルクセンサ３０の変形が起こりにくくなるため、トルクセンサ３０で駆動軸回りのトルクを検出する際、駆動軸以外の他軸回りのトルクや各軸方向に加わる力に起因する雑音を低減することができる。すなわち、関連技術によれば、ベアリング部材２６でトルクセンサ３０を固定支持することによって、トルクセンサ３０を駆動軸回り以外に変形しにくくすることで駆動軸回りのトルクを高精度に検出するようにしている。
【0115】
ただし、関連技術では、トルクセンサ３０を固定支持するベアリング部材２６を新たに設ける必要があることから、ロボット関節構造２０Ａの質量が大きくなる。つまり、ロボット関節構造２０Ａの質量は小さいことが望ましいが、関連技術では、ロボット関節構造２０Ａの質量が大きくなってしまい、ロボット関節構造２０Ａの動作が鈍くなるおそれがある。さらには、ベアリング部材２６を新たに設ける必要があるため、ロボット関節構造２０Ａの部品コストが上昇することになる。したがって、関連技術では、駆動軸回りのトルクを高精度に検出することができる一方で、ロボット関節構造２０Ａの動作機敏性の向上と部品コストの低減の観点から改善の余地が存在することがわかる。
【0116】
この点に関し、本実施の形態におけるトルクセンサ１００は、たとえ、駆動軸回り以外の他軸回りのトルクや各軸方向に加わる力に起因してトルクセンサ１００が変形したとしても、トルクセンサ１００に設けられた４個の歪センサ２００によって、駆動軸回り以外の他軸回りのトルクや各軸方向に加わる力に起因する歪が相殺される。すなわち、本実施の形態におけるトルクセンサ１００によれば、駆動軸回り以外の他軸回りのトルクや各軸方向に加わる力に起因してトルクセンサ１００が変形したとしても、駆動軸以外の他軸回りのトルクや各軸方向に加わる力に起因する雑音は発生しにくくなる。このため、本実施の形態におけるトルクセンサ１００は、駆動軸回り以外の他軸回りのトルクや各軸方向に加わる力に起因するトルクセンサ１００の変形を抑制しなくても、駆動軸回りのトルクを高精度に検出することができる。このことは、本実施の形態におけるトルクセンサ１００によれば、図３に示す関連技術のトルクセンサ３０のようにベアリング部材２６で固定支持する必要がなくなることを意味する。言い換えれば、本実施の形態におけるトルクセンサ１００は、ベアリング部材２６で固定支持しなくても、駆動軸回り以外の他軸回りのトルクや各軸方向に加わる力に起因する歪が相殺される結果、駆動軸回りのトルクを高精度に検出することができるのである。したがって、本実施の形態によれば、ベアリング部材２６が不要となることから、ロボット関節構造２０自体の質量の増大を抑制できる。このことから、本実施の形態によれば、トルクセンサ１００を採用することにより、ロボット関節構造の動作機敏性を向上できる。さらには、ベアリング部材２６という新たな部品の追加が不要となることにより、ロボット関節構造２０の部品削減を実現することができ、これによって部品コストを削減できるという利点も得ることができる。
【0117】
なお、本実施の形態におけるトルクセンサ１００を採用すると、図１８に示すロボット関節構造２０だけでなく、例えば、図１９に示すロボット関節構造２０Ｂや図２０に示すロボット関節構造２０Ｃも実現することができる。この場合も、ロボット関節構造の動作機敏性および部品コストを犠牲にすることなく、駆動軸回りの駆動軸トルクの検出精度を向上することができるという顕著な効果が得られる。
【0118】
なお、これらの効果は、トルクセンサ１００の剛性が高く、ｘ軸、ｙ軸、z軸のモーメントによって、過大な変形をしないことが必要である。トルクセンサ１００の剛性を高くするには、図５に示すスポーク１３０の厚み、幅を大きくしなければならない。そうすると、ｚ軸トルクによって発生するひずみが小さくなり、計測すべきz軸トルクの分解能が低減する。すなわち、検出できる限界のｚ軸トルクが大きくなってしまう。しかし、図８に示す歪センサ２００は、一般的な金属の抵抗変化に基づいて計測する歪ゲージに対して、格段に大きい感度を有する。歪センサ２００をシリコンで作成した場合、歪を検出する感度を示すゲージ率が、一般の金属性の歪ゲージに比較して、約２５倍となることが知られている。したがって、歪センサ２００を用いることで、トルクセンサ１００の剛性を高くすることができ、その結果、ベアリング部材２６を省くことができる。
【0119】
＜さらなる検討＞
本実施の形態におけるトルクセンサ１００は、駆動軸回り以外の他軸回りのトルクや各軸方向に加わる力に起因するトルクセンサ１００の変形を抑制しなくても、駆動軸回りのトルクを高精度に検出することができる点で有用であり、例えば、ロボット関節構造２０に適用して有効である。ただし、本発明者が検討したところ、トルクセンサ１００をロボット関節構造２０に適用するにあたっては、トルクセンサ１００とリンク２１Ｂとの接続構造を工夫することが重要であるという知見を得たので、この知見を説明する。
本実施の形態におけるトルクセンサ１００は、駆動軸回り以外の他軸回りのトルクや各軸方向に加わる力に起因するトルクセンサ１００の変形を抑制しなくても、駆動軸回りのトルクを高精度に検出することができる点で有用であり、例えば、ロボット関節構造２０に適用して有効である。ただし、本発明者が検討したところ、トルクセンサ１００をロボット関節構造２０に適用するにあたっては、トルクセンサ１００とリンク２１Ｂとの接続構造を工夫することが重要であるという知見を得たので、この知見を説明する。
【0120】
＜本発明者が見出した新規な知見＞
図２１は、本実施の形態におけるトルクセンサ１００を適用したロボット関節構造２０を模式的に示す図である。図２１において、領域ＲＡは、トルクセンサ１００とリンク２１Ｂとの接続部位を示している。そして、図２２は、領域ＲＡで示されるトルクセンサ１００とリンク２１Ｂとの接続部位の拡大図である。図２２に示すように、トルクセンサ１００には貫通部ＴＨが形成されているとともに、リンク２１Ｂには、ネジ山が形成された開口部ＯＰが形成されている。そして、トルクセンサ１００に形成された貫通部ＴＨとリンク２１Ｂに形成された開口部ＯＰとは連通しており、貫通部ＴＨと開口部ＯＰには、ボルト６００Ａが挿入されている。そして、このボルト６００Ａとナット６００Ｂを使用することにより、トルクセンサ１００とリンク２１Ｂとは接続されている。このとき、ボルト６００Ａには、軸力「Ｐ」が加わることになる。
図２１は、本実施の形態におけるトルクセンサ１００を適用したロボット関節構造２０を模式的に示す図である。図２１において、領域ＲＡは、トルクセンサ１００とリンク２１Ｂとの接続部位を示している。そして、図２２は、領域ＲＡで示されるトルクセンサ１００とリンク２１Ｂとの接続部位の拡大図である。図２２に示すように、トルクセンサ１００には貫通部ＴＨが形成されているとともに、リンク２１Ｂには、ネジ山が形成された開口部ＯＰが形成されている。そして、トルクセンサ１００に形成された貫通部ＴＨとリンク２１Ｂに形成された開口部ＯＰとは連通しており、貫通部ＴＨと開口部ＯＰには、ボルト６００Ａが挿入されている。そして、このボルト６００Ａとナット６００Ｂを使用することにより、トルクセンサ１００とリンク２１Ｂとは接続されている。このとき、ボルト６００Ａには、軸力「Ｐ」が加わることになる。
【0121】
次に、図２３は、図２２の矢印方向から見た模式図である。図２３に示すように、トルクセンサ１００とリンク２１Ｂは、ボルト６００Ａとナット６００Ｂで接続されている。そして、図２４は、図２３のＡ－Ａ面から見た模式図を示しており、図２５は、図２３のＢ－Ｂ面から見た模式図を示している。ここで、Ａ－Ａ面を「ボルト・外輪部面」と呼び、Ｂ－Ｂ面を「外輪部・リンク面」と呼ぶことにする。
【0122】
図２４において、トルクセンサ１００の外輪部１２０にボルト６００Ａが固定されており、ボルト６００Ａと外輪部１２０との接触面が「Ｓ１」で示されている。このとき、ボルト６００Ａと外輪部１２０との間の面圧「σ１」は、「σ１＝Ｐ／Ｓ１」で与えられる。ここで、「Ｐ」は、ボルト６００Ａに加わる軸力を示しており、「Ｓ１」は、ボルト６００Ａと外輪部１２０との接触面積を示している。図２４に示すように、ボルト６００Ａと外輪部１２０との接触面積「Ｓ１」は小さいことから、ボルト６００Ａと外輪部１２０との間の面圧「σ１」は大きくなる。
【0123】
図２５において、トルクセンサ１００の外輪部１２０とリンク２１Ｂとがボルト６００Ａで固定されており、外輪部１２０とリンク２１Ｂとの接触面が「Ｓ２」で示されている。この「Ｓ２」は、外輪部１２０の全面に相当する。このとき、外輪部１２０とリンク２１Ｂとの間の面圧「σ２」は、「σ２＝Ｐ／Ｓ２」で与えられる。ここで、「Ｐ」は、ボルト６００Ａに加わる軸力を示しており、「Ｓ２」は、外輪部１２０とリンク２１Ｂとの接触面積を示している。図２５に示すように、外輪部１２０とリンク２１Ｂとの接触面積「Ｓ２」は大きいことから、外輪部１２０とリンク２１Ｂとの間の面圧「σ２」は小さくなる。
【0124】
続いて、図２６は、面圧と静止摩擦係数との関係を定性的に示すグラフである。図２６において、横軸は面圧「σ」を示している一方、縦軸は静止摩擦係数「μ」を示している。図２６に示すように、図２４に示す軸力（「Ｐ」）と図２５に示す軸力（「Ｐ」）が等しい場合、面圧「σ」が大きくなると、静止摩擦係数「μ」は小さくなる傾向があることがわかる。すなわち、面圧「σ」が大きくなると滑りやすくなることがわかる。
【0125】
ここで、ボルト６００Ａと外輪部１２０との接触面積「Ｓ１」は、外輪部１２０とリンク２１Ｂとの接触面「Ｓ２」に比べて非常に小さいことから、ボルト６００Ａと外輪部１２０との間の面圧「σ１」は、外輪部１２０とリンク２１Ｂとの間の面圧「σ２」に比べて非常に大きくなる。このことは、ボルト６００Ａと外輪部１２０との界面である「ボルト・外輪部面」は、外輪部１２０とリンク２１Ｂとの界面である「外輪部・リンク面」よりも滑りやすくなることを意味している。
【0126】
図２７は、「ボルト・外輪部面」に滑りが発生する様子を示す模式図である。図２７（ａ）には、例えば、トルクセンサ１００にトルクや力が加わることにより、ボルト６００Ａが変形する様子が示されている。なお、図２７（ａ）では、わかりやすくするために、ボルト６００Ａの変形を大きく描いている。ここで、ボルト６００Ａの変形が大きくなり過ぎて静止摩擦力の限界を超えると、図２７（ｂ）に示すように、「ボルト・外輪部面」に滑りが発生する。そして、「ボルト・外輪部面」に滑りが発生すると、トルクセンサ１００での駆動軸回りのトルクの検出精度が不安定となることを本発明者は新規に見出した。
【0127】
以下では、「ボルト・外輪部面」に滑りが発生すると、トルクセンサ１００での駆動軸回りのトルクの検出精度が不安定となるメカニズムについて説明する。
【0128】
図２８（ａ）および図２８（ｂ）は、「ボルト・外輪部面」に滑りが発生すると、トルクセンサ１００での駆動軸回りのトルクの検出精度が不安定となるメカニズムを説明するための図である。まず、図２８（ａ）において、トルクセンサ１００にトルクが加わって、このトルクが内輪部１１０から外輪部１２０にせん断力として伝わる力線が矢印で示されている。図２８（ａ）に示すように、せん断力の力線は、内輪部１１０からスポーク１３０を通って「ボルト・外輪部面」を介してボルト６００Ａの内部を伝わる（第１経路）。さらには、第１経路以外に、せん断力の力線は、「外輪部・リンク面」を介してリンク２１Ｂに伝わる（第２経路）。このように、せん断力の力線は、第１経路と第２経路の両方を流れ、第１経路に滑りが発生しやすい「ボルト・外輪部面」が存在する。したがって、「ボルト・外輪部面」に滑りが発生すると、スポーク１３０を流れるせん断力の力線が乱れることになる。ここで、スポーク１３０上には、歪センサ２００が配置されており、この歪センサ２００は、スポーク１３０上でのせん断力の流れを計測することから、スポーク１３０を流れるせん断力の力線が乱れると、スポーク１３０上に配置されている歪センサ２００からの出力も乱れることになる。これにより、トルクセンサ１００でのトルク検出精度が不安定となる。この知見は、本発明者が新規に見出した知見である。
【0129】
そこで、本発明者は、この知見に基づいて、トルクセンサ１００でのトルク検出精度の安定性を向上させるための工夫をさらに施している。以下では、この工夫点を説明する。
【0130】
＜工夫点の説明＞
図２９は、トルクセンサでのトルク検出精度の安定性を向上させるための工夫点を説明するための図である。図２９において、工夫点は、トルクセンサ１００の外輪部１２０に設けられている貫通部ＴＨにねじ山を形成して、トルクセンサ１００とリンク２１Ｂをボルトではなくネジ７００で締結している点にある。すなわち、トルクセンサ１００の外輪部１２０には、ネジ穴が形成されており、この外輪部１２０は、ネジ穴にネジ７００を螺合することにより、外輪部１２０と一体的に回転可能な部材（リンク２１Ｂ）と締結可能に構成されている。これにより、トルクセンサ１００でのトルク検出精度の安定性を向上することができる。以下に、この理由について説明する。
図２９は、トルクセンサでのトルク検出精度の安定性を向上させるための工夫点を説明するための図である。図２９において、工夫点は、トルクセンサ１００の外輪部１２０に設けられている貫通部ＴＨにねじ山を形成して、トルクセンサ１００とリンク２１Ｂをボルトではなくネジ７００で締結している点にある。すなわち、トルクセンサ１００の外輪部１２０には、ネジ穴が形成されており、この外輪部１２０は、ネジ穴にネジ７００を螺合することにより、外輪部１２０と一体的に回転可能な部材（リンク２１Ｂ）と締結可能に構成されている。これにより、トルクセンサ１００でのトルク検出精度の安定性を向上することができる。以下に、この理由について説明する。
【0131】
図２９に示すように、トルクセンサ１００とリンク２１Ｂとをネジ締結する場合、トルクセンサ１００の外輪部１２０に設けられたなネジ穴とネジ７００とは、ネジ山とネジ谷の全面において摩擦力によって固定されることから、力学的にトルクセンサ１００とリンク２１Ｂとは一体品とみなすことができる。したがって、図２９において、せん断力の力線は、内輪部１１０からスポーク１３０を通って、ネジ７００を含む外輪部１２０に伝わった後、「外輪部・リンク面」を介してリンク２１Ｂに流れる。このとき、「外輪部・リンク面」は、外輪部１２０全体で接触するため、面圧「σ」が小さくなり、これによって、静止摩擦係数「μ」は大きくなる。このことは、この工夫点によれば、外輪部１２０とリンク２１Ｂとの間で滑りが発生しにくいことを意味する（第１利点）。さらに、この工夫点では、滑りが発生しやすい「ボルト・外輪部面」が存在しない（第２利点）。このように、本実施の形態における工夫点によれば、上述した第１利点と第２利点との相乗要因によって、スポーク１３０を通るせん断力の力線の流れは安定する結果、トルクセンサ１００でのトルク検出精度の安定性を向上することができる。
【0132】
＜変形例＞
基本思想は、トルクセンサに備わる複数の歪センサの配置に対する工夫と、複数の歪センサのそれぞれに形成されている複数の抵抗素子の配置に対する工夫によって、駆動軸回りのトルクに起因する歪だけを抽出する一方、駆動軸以外の他軸回りのトルクに起因する歪や各軸方向に加わる力に起因する歪を相殺する思想である。この基本思想は、実施の形態では、図５に示すような４つの歪センサ２００を備えるトルクセンサ１００の構成を採用し、かつ、図８に示すような歪センサ２００に形成されている複数の抵抗素子３００のレイアウト配置を採用することにより実現されている。
基本思想は、トルクセンサに備わる複数の歪センサの配置に対する工夫と、複数の歪センサのそれぞれに形成されている複数の抵抗素子の配置に対する工夫によって、駆動軸回りのトルクに起因する歪だけを抽出する一方、駆動軸以外の他軸回りのトルクに起因する歪や各軸方向に加わる力に起因する歪を相殺する思想である。この基本思想は、実施の形態では、図５に示すような４つの歪センサ２００を備えるトルクセンサ１００の構成を採用し、かつ、図８に示すような歪センサ２００に形成されている複数の抵抗素子３００のレイアウト配置を採用することにより実現されている。
【0133】
ただし、基本思想は、実施の形態で説明した構成だけでなく、さらに、図３０に示すような６つの歪センサ２００を備えるトルクセンサ１００Ａの構成を採用し、かつ、図８に示すような歪センサ２００に形成されている複数の抵抗素子３００のレイアウト配置を採用するという本変形例の構成によっても実現することができる。
【0134】
以下では、まず、本変形例にトルクセンサ１００Ａの構成を説明する。
【0135】
図３０は、本変形例におけるトルクセンサ１００Ａの構成を示す平面図である。図３０において、トルクセンサ１００Ａは、円形リングから構成される内輪部１１０と、内輪部１１０よりも径の大きな円形リングから構成される外輪部１２０と、内輪部１１０と外輪部１２０とを接続する複数のスポーク（接続部）１３０とを備えている。
【0136】
本変形例では、複数のスポーク１３０は、６つのスポーク１３０であるスポーク１３０Ａ、スポーク１３０Ｂ、スポーク１３０Ｃ、スポーク１３０Ｄ、スポーク１３０Ｅおよびスポーク１３０Ｆから構成されている。
【0137】
具体的に、スポーク１３０Ａおよびスポーク１３０Ｄは、第１仮想線ＶＬ１上にそれぞれ配置され、かつ、内輪中心ＣＰに対して互いに反対側に配置されている。スポーク１３０Ｂおよびスポーク１３０Ｅは、仮想線ＶＬ２Ａ上にそれぞれ配置され、かつ、内輪中心ＣＰに対して互いに反対側に配置されている。スポーク１３０Ｃおよびスポーク１３０Ｆは、仮想線ＶＬ２Ｂ上にそれぞれ配置され、かつ、内輪中心ＣＰに対して互いに反対側に配置されている。
【0138】
第１仮想線ＶＬ１、仮想線ＶＬ２Ａおよび仮想線ＶＬ２Ｂは、内輪部１１０の内輪中心ＣＰで交差し、およそ６０度の交差角度をなしている。つまり、本変形例では、第１仮想線ＶＬ１、仮想線ＶＬ２Ａおよび仮想線ＶＬ２Ｂが互いに直交していない。そして、図３０において、第１仮想線ＶＬ１と直交する仮想線を第２仮想線ＶＬ２とすると、この第２仮想線ＶＬ２は、仮想線ＶＬ２Ａと仮想線ＶＬ２Ｂとの二等分線となっている。
【0139】
次に、図３０に示すように、６つのスポーク１３０上には、それぞれ歪センサ２００が搭載されている。具体的に、スポーク１３０Ａ上には、第１歪センサ２００Ａが搭載されており、スポーク１３０Ｂ上には、第２歪センサ２００Ｂが搭載されている。また、スポーク１３０Ｃ上には、第３歪センサ２００Ｃが搭載されており、スポーク１３０Ｄ上には、第４歪センサ２００Ｄが搭載されている。さらに、スポーク１３０Ｅ上には、第５歪センサ２００Ｅが搭載されており、スポーク１３０Ｆ上には、第６歪センサ２００Ｆが搭載されている。
【0140】
６つのスポーク１３０のそれぞれに搭載されている歪センサ２００は、図８に示すように、複数の抵抗素子３００が形成されている。この点において、本変形例は、実施の形態と同様である。
【0141】
図３０において、第１歪センサ２００Ａと第４歪センサ２００Ｄは、内輪中心ＣＰに対して点対称である。同様に、第２歪センサ２００Ｂと第５歪センサ２００Ｅは、内輪中心ＣＰに対して点対称である。また、第３歪センサ２００Ｃと第６歪センサ２００Ｆは、内輪中心ＣＰに対して点対称である。
【0142】
このようにして、トルクセンサ１００Ａが構成されている。
【0143】
図３１は、変形例への基本思想の適用例を説明する表である。
【0144】
図３１において、第１歪センサ２００Ａでは、図３０に示す構成を採用することにより、ｘ軸回りのｘ軸トルクに起因する歪は「ゼロ」、ｙ軸回りのｙ軸トルクに起因する歪は「εＴｙ」、ｚ軸回りのｚ軸トルクに起因する歪は「εＴｚ」、ｘ軸方向の力に起因する歪は「εＦｘ」、ｙ軸方向の力に起因する歪は「ゼロ」、ｚ軸方向の力に起因する歪は「ゼロ」となる。
【0145】
第２歪センサ２００Ｂでは、図３０に示す構成を採用することにより、ｘ軸回りのｘ軸トルクに起因する歪は「ε´Ｔｘ」、ｙ軸回りのｙ軸トルクに起因する歪は「ε´´Ｔｙ」、ｚ軸回りのｚ軸トルクに起因する歪は「εＴｚ」、ｘ軸方向の力に起因する歪は「ε´Ｆｘ」、ｙ軸方向の力に起因する歪は「ε´´Ｆｙ」、ｚ軸方向の力に起因する歪は「ゼロ」となる。
【0146】
第３歪センサ２００Ｃでは、図３０に示す構成を採用することにより、ｘ軸回りのｘ軸トルクに起因する歪は「－ε´Ｔｘ」、ｙ軸回りのｙ軸トルクに起因する歪は「－ε´´Ｔｙ」、ｚ軸回りのｚ軸トルクに起因する歪は「εＴｚ」、ｘ軸方向の力に起因する歪は「－ε´Ｆｘ」、ｙ軸方向の力に起因する歪は「－ε´´Ｆｙ」、ｚ軸方向の力に起因する歪は「ゼロ」となる。
【0147】
第４歪センサ２００Ｄでは、図３０に示す構成を採用することにより、ｘ軸回りのｘ軸トルクに起因する歪は「ゼロ」、ｙ軸回りのｙ軸トルクに起因する歪は「－εＴｙ」、ｚ軸回りのｚ軸トルクに起因する歪は「εＴｚ」、ｘ軸方向の力に起因する歪は「－εＦｘ」、ｙ軸方向の力に起因する歪は「ゼロ」、ｚ軸方向の力に起因する歪は「ゼロ」となる。
【0148】
第５歪センサ２００Ｅでは、図３０に示す構成を採用することにより、ｘ軸回りのｘ軸トルクに起因する歪は「－ε´Ｔｘ」、ｙ軸回りのｙ軸トルクに起因する歪は「－ε´´Ｔｙ」、ｚ軸回りのｚ軸トルクに起因する歪は「εＴｚ」、ｘ軸方向の力に起因する歪は「－ε´Ｆｘ」、ｙ軸方向の力に起因する歪は「－ε´´Ｆｙ」、ｚ軸方向の力に起因する歪は「ゼロ」となる。
【0149】
第６歪センサ２００Ｆでは、図３０に示す構成を採用することにより、ｘ軸回りのｘ軸トルクに起因する歪は「ε´Ｔｘ」、ｙ軸回りのｙ軸トルクに起因する歪は「ε´´Ｔｙ」、ｚ軸回りのｚ軸トルクに起因する歪は「εＴｚ」、ｘ軸方向の力に起因する歪は「ε´Ｆｘ」、ｙ軸方向の力に起因する歪は「ε´´Ｆｙ」、ｚ軸方向の力に起因する歪は「ゼロ」となる。
【0150】
そして、本変形例でも、第１歪センサ２００Ａと第２歪センサ２００Ｂと第３歪センサ２００Ｃと第４歪センサ２００Ｄと第５歪センサ２００Ｅと第６歪センサ２００Ｆのそれぞれで発生した歪を加算する。すると、例えば、ｘ軸回りのｘ軸トルクに起因する合計歪は「ゼロ」、ｙ軸回りのｙ軸トルクに起因する合計歪は「ゼロ」、ｚ軸回りのｚ軸トルクに起因する合計歪は「６εＴｚ」、ｘ軸方向の力に起因する合計歪は「ゼロ」、ｙ軸方向の力に起因する合計歪は「ゼロ」、ｚ軸方向の力に起因する合計歪は「ゼロ」となる。
【0151】
つまり、図３１に示すように、ｚ軸回りのｚ軸トルクに起因する合計歪以外の合計歪は「ゼロ」となる。このことは、本変形例でも、駆動軸回りのトルクに起因する歪だけを抽出する一方、駆動軸以外の他軸回りのトルクに起因する歪や各軸方向に加わる力に起因する歪を相殺することができることを意味していることになる。したがって、本変形例においても、駆動軸回りのトルクだけでなく、駆動軸以外の他軸回りのトルクや各軸方向の力が加わっている場合でも、駆動軸回りのトルクに起因する歪だけを抽出し、それ以外の歪を相殺することができる結果、駆動軸回りのトルクを高精度に算出することができることがわかる。
【0152】
以上のように、基本思想は、例えば、図５に示す実施の形態におけるトルクセンサ１００の構成によって実現できるだけでなく、図３０に示す本変形例におけるトルクセンサ１００Ａの構成によっても実現できることがわかる。
【0153】
特に、実施の形態におけるトルクセンサ１００を採用する利点は、本変形例のように６つの歪センサ２００よりも少ない４つの歪センサ２００で基本思想を実現できる点でコスト削減を図ることができる点が挙げられる。
【0154】
一方、本変形例におけるトルクセンサ１００Ａを採用する利点は、実施の形態では駆動軸回り（ｚ軸周り）のトルクに起因する歪の合計が「４εＴｚ」であるのに対し（図７参照）、本変形例では、駆動軸回り（ｚ軸周り）のトルクに起因する歪の合計を「６εＴｚ」にすることができる結果、検出信号の大きさを大きくできる点を挙げることができる。
【0155】
以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
【0156】
例えば、図８に示すように、本実施の形態における歪センサ２００には、互いに直交配置される４個の抵抗素子３００（抵抗素子３００Ａと抵抗素子３００Ｂと抵抗素子３００Ｃと抵抗素子３００Ｄ）から構成する例について説明しているが、本実施の形態における技術的思想は、これに限らず、例えば、図８において、互いに直交配置される２個の抵抗素子３００（抵抗素子３００Ａと抵抗素子３００Ｄ）から歪センサ２００を構成する場合にも幅広く適用することができる。
【符号の説明】
【0157】
１ ロボットシステム
１０ ロボットアーム
１１ ロボット制御部
２０ ロボット関節構造
２０Ａ ロボット関節構造
２０Ｂ ロボット関節構造
２０Ｃ ロボット関節構造
２１Ａ リンク
２１Ｂ リンク
２２ モータ
２３ 減速機
２４ 駆動部
２５ 潤滑部材
２６ ベアリング部材
３０ トルクセンサ
１００ トルクセンサ
１１０ 内輪部
１２０ 外輪部
１３０ スポーク
１３０Ａ スポーク
１３０Ｂ スポーク
１３０Ｃ スポーク
１３０Ｄ スポーク
２００ 歪センサ
２００Ａ 第１歪センサ
２００Ｂ 第２歪センサ
２００Ｃ 第３歪センサ
２００Ｄ 第４歪センサ
３００ 抵抗素子
３００Ａ 抵抗素子
３００Ｂ 抵抗素子
３００Ｃ 抵抗素子
３００Ｄ 抵抗素子
５００ 算出部
５０１ 第１電圧値入力部
５０２ 第２電圧値入力部
５０３ 第３電圧値入力部
５０４ 第４電圧値入力部
５０５ 電圧値加算部
５０６ 駆動軸トルク算出部
５０７ 出力部
５０８ データ記憶部
６００Ａ ボルト
６００Ｂ ナット
７００ ネジ
ＣＰ 内輪中心
ＯＰ 開口部
ＴＨ 貫通部
１０ ロボットアーム
１１ ロボット制御部
２０ ロボット関節構造
２０Ａ ロボット関節構造
２０Ｂ ロボット関節構造
２０Ｃ ロボット関節構造
２１Ａ リンク
２１Ｂ リンク
２２ モータ
２３ 減速機
２４ 駆動部
２５ 潤滑部材
２６ ベアリング部材
３０ トルクセンサ
１００ トルクセンサ
１１０ 内輪部
１２０ 外輪部
１３０ スポーク
１３０Ａ スポーク
１３０Ｂ スポーク
１３０Ｃ スポーク
１３０Ｄ スポーク
２００ 歪センサ
２００Ａ 第１歪センサ
２００Ｂ 第２歪センサ
２００Ｃ 第３歪センサ
２００Ｄ 第４歪センサ
３００ 抵抗素子
３００Ａ 抵抗素子
３００Ｂ 抵抗素子
３００Ｃ 抵抗素子
３００Ｄ 抵抗素子
５００ 算出部
５０１ 第１電圧値入力部
５０２ 第２電圧値入力部
５０３ 第３電圧値入力部
５０４ 第４電圧値入力部
５０５ 電圧値加算部
５０６ 駆動軸トルク算出部
５０７ 出力部
５０８ データ記憶部
６００Ａ ボルト
６００Ｂ ナット
７００ ネジ
ＣＰ 内輪中心
ＯＰ 開口部
ＴＨ 貫通部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】